属于众生的量子计算
2018-10-19 13:21:45
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脑极体 • 47分钟前 • 前沿技术

对于今天的量子计算来说,天梯异常显眼,但脚下的台阶却隐于迷雾之中

世间的终极问题是什么?

亚历山大·科瓦雷在《从封闭世界到无限宇宙》中描述了这样一幕:面临着宗教与科学碰撞的17世纪哲学家们,普遍对此在(或者说上帝的表达形态)与宇宙空间的关系产生疑惑。他们在忙不迭的彼此争论中,努力揭示到底是什么推动了时空滚滚向前。

时间推移到21世纪,已经有不少人相信:世界的本质就像薛定谔的猫,是由波函数所描绘出来的,而不是可观察的物理现象。

于是,量子计算就被放在了史无前例的重要位置上:它是消解人类数十年算力饥渴的终极答案;是神秘实验室中关于“霸权”与“未知”的论证;是可以破解存在与空间谜题,隐秘在千万星云外的终极钥匙。

但是,等一下,问题也同时来了:是不是感觉量子计算离我们极其遥远?即使偶然有些量子计算的话题出来,大家也不过将其当做振奋民族自信的新闻,亦或茶余饭后的谈资。

量子计算,是不是真的栖息于世界之巅,隐身在几个高等院校和科技巨头的实验室里,与我们这些平常人“了无牵挂”呢?

最近的一些迹象里,我们似乎开始寻觅相反的答案。10 月 12 日,华为在全联接大会的最后一天,发布了量子计算模拟器云服务平台 HiQ。这个平台包括基于华为云经典算力构建的量子计算模拟器及量子编程框架。

假如用一句话形容HiQ的差异化特征,那么或许是这样的:秉承着华为“致敬开发者”的基调,HiQ在尝试将量子计算的相关研究开放和普惠,为科研与工业领域的“量子开发者”迈出第一步提供条件。

HiQ的发布,以及可能产生的产业波动,或许有比其能模拟的量子比特数更重要的价值。

因为如果我们看向更远的未来,或许会发现这是一场量子普惠运动的开始,很多心怀探索终极存在梦想的年轻人,或许可以在现在或者不久的将来,对Quantum的世界轻轻说一声“Hi”。

属于众生的量子计算,正在变化与期待中慢慢孕育。

量子之用:一声并不遥远的呼唤

今天的量子计算产业,或许说白了就是在做两件事:一是尝试用量子计算实验挑战最强的经典计算;二是用超算来模拟最大量子比特数的量子计算……这并不是两伙科学家抬杠玩,而是在不断的模拟与测试中,认识量子计算的产业规律,为可能到来的真正量子计算做出准备。

而在这个过程中,我们会发现这样一个现象:很多人都觉得,量子计算只有一个目的,就是造出通用量子计算机,达成人类算力的无穷。

但这个目标显然很远很远,但在不断进行量子模拟与算力测试的过程中,我们会发现一些量子计算产业展示出的“近期目标”。

这些目标或许不直接关于“量子霸权”的实现,但却与科技产业发展中的诸多问题息息相关。比如量子化学模拟今天已经有很多成果展现出来;再比如量子计算与AI的结合,在HiQ平台的发布会上,华为量子计算首席科学家翁文康教授,同时也介绍了量子计算与AI结合的研究情况。

他认为,量子计算与AI具有天然的可结合性。比如用机器学习解决量子计算中的诸多问题;借助AI技术抵消量子计算中的噪音;而量子计算也可以反作用于AI,探索神经网络可能面临的诸多问题。

这些例子表明,量子计算的应用或许会比我们想象的更近。在硬件架构与软件层面的配合下,我们很可能在不久后见证量子计算技术达成应用。

但问题也随之而来,更近的应用速率,正在呼唤更广泛的研究基础、更多的量子计算研究人才与工业人才,同时也需要学术界工业界调整出适合的量子计算研究习惯。

而这些,在今天世界范围内还处在普遍的空白。

虽然很多研究者,尤其是年轻人都在仰望量子计算的高塔,但要亲身走过去却并不那么容易。

量子天梯显而易见,但通往天梯脚下的小径却藏身雾中

当我们将量子计算看做一个产业的时候,会发现这个产业具有很奇特的表征:科技巨头与顶级学府之间的“量子霸权之争”永远闪耀在那里,引人注目。

但广大院校、科研机构、ICT产业从业者想要进入量子计算研究范畴,却要经历无数不被注意的艰险。

首当其冲就是算力的缺乏。我们知道,今天量子计算研究的最重要工具之一就是模拟,在模拟量子计算过程中验证各种其可行性,同时也对其环境稳定性、容错率、实现机制等因素进行不断的软硬件优化与调节。

但是科研人员想要找到合适的量子计算模拟器却并不容易,想要全振幅模拟器模拟50个量子比特的话,需要的16PB的内存,这显然不是一般研究者甚至机构所能负担的。

模拟算力的稀缺,导致很多科研人员实践自身想法、观察调试结果,变成了一件奢侈的事情。往往需要各种审批流程,耽误大量时间后才能获得少量运算时间。显然这是对学术生命力的浪费。

再举个例子,量子计算研究与产业探索中,往往还面临着很多应用和开发难题。比如量子计算与经典计算的混合编程,缺乏面对量子计算的软硬件测试环境等等。量子器件不容易得到测试和评估,这就导致量子计算面向应用时可能产生系列问题。

此外,量子计算机可能使用的超导材料,也是科研界面临的问题之一。

总而言之,在量子计算人才需求不断加强,产生研究工作井喷的今天,却普遍缺乏给学界、工业界进行学术探索、研究成果模拟、软硬件环境测试的平台。

如果任由发展,未来我们或又将面临产业爆发和人才供应不足的巨大落差,最终造成产业机遇的恶性循环。

所以当务之急,是让更多人可以进入量子计算的环境中,达成研究可能,培养研究习惯——于是,华为的HiQ出手了。

量子欢迎你,为你“开天辟地”

相比于很多科技公司布局量子计算,第一手棋必然是刷量子比特模拟数,华为却务实地选择了量子计算模拟器云平台与量子编程框架作为“先锋”。

或许这个布局并没有达成了某种“记录”那么惹眼,却真实解决了众多量子计算研究者与开发者面临的实际困难。

HiQ 量子计算模拟器,在全振幅量子计算模拟上可以支持 42 个量子比特的模拟;在单振幅量子计算模拟中,可以实现 81 个量子比特(40 层)甚至 169 个量子比特(20 层)的随机电路模拟计算。

在云平台上释放并且部分免费(HiQ提供全振幅模拟 38 以内的量子比特服务免费)模拟能力,可以为学术界与工业界,用真实运行的量子计算模拟进行研发,打下重要的基础。

而HiQ的量子纠错模拟器,则可用于纠错码编解码器的设计,对于破解量子计算中重要的纠错问题提供测试环境。据了解,HiQ的量子计算模拟器首次集成纠错量子电路模拟,可以实现数十万量级量子比特的纠错电路模拟,性能是同类模拟器的5-15倍。而HiQ量子编程框架则支持10余算法,还兼容开源框架ProjectQ。

在采访中,翁文康教授在阐述HiQ面向的使用人群时,总是会提到一个称呼:“量子计算爱好者”。这或有或无间向我们提醒,“量子计算”是可以有爱好者的。而且在一些新的条件下,这些爱好者可以做一些真实的工作——不用停留在对量子计算的畏惧里,或者沉浸在假想的缪斯中——这或许可以视作HiQ基于公有云,提供全套量子模拟与编程的某种初衷。

HiQ的价值,可以总结成这样一句话:运用基础条件,达成技术突破,解决普遍需求。

所谓基础条件,是指华为广泛的ICT技术与产业基础,以及华为云的大规模算力支撑。华为在ICT技术上的优化,让HiQ得以用行业基础设施的形态呈现了出来;利用华为云提供的大规模并行计算能力,原本必须用普通人接触不到的超算完成的量子计算模拟,也可以面向学界普遍开放。

在华为的基础设施之上,华为量子计算团队在高性能分布式内存计算架构、优化量子门调度与融合等领域完成了创新突破,让HiQ可以准确实现开源性、准确性与模拟算力间的平衡。

而最终,学界与产业界获得了新的研究基础与人才培养设施。众多年轻人在迈入量子之门时面临的成本门槛,被以平台普惠的方式消弭在了尘埃里。

当然,无论是迈向量子计算机的纵向上升,还是提高产学研普遍研究能力的生态下沉,今天都还刚刚开始。

汉娜·阿伦特在《过去与未来之间》中说,只有当人能够涉足只有人类想象或者抽象能力才能企及的地方,或者人类的设计与制造能力能够抵达时,人类才真正实现了对空间的征服。

从这个角度看,每多一颗求知欲旺盛的心灵,抵达量子计算的真实图谱,人类对未知的胜算就加深了一分。

把量子计算还给更多人,还给未来,还给众生——这或许是真正的量子霸权:人类面对恐惧与不确定时,可以用科学确定未来的霸权。

量子天梯也许并没有看上去那么遥远,只要有人愿意从脚下的石板路开始修起。

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